تحلیل و پیش‌بینی ترافیک با استفاده از تصاویر مستخرج از Google Maps و شبکه عصبی مکانی - زمانی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی نقشه برداری- دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

2 دانشیار گروه سیستم اطلاعات مکانی، دانشکده مهندسی نقشه برداری- دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

پیش‌بینی دقیق و به‌موقع وضعیت ترافیک شهری یکی از ارکان اساسی در بهینه‌سازی مسیریابی، کاهش زمان سفر و توسعه سامانه‌های مدیریت هوشمند حمل‌ونقل به‌شمار می‌رود. با افزایش پیچیدگی پویایی ترافیک در کلان‌شهرها، نیاز به مدل‌هایی که بتوانند وابستگی‌های زمانی و مکانی را به‌صورت هم‌زمان در نظر بگیرند بیش از پیش احساس می‌شود. اگرچه استفاده از حسگرهای فیزیکی نظیر حلقه‌های القایی و دوربین‌های نظارتی رایج است، اما هزینه‌های نصب و نگهداری بالا، پوشش مکانی محدود و وابستگی به زیرساخت‌های فیزیکی از چالش‌های جدی این رویکردها محسوب می‌شود. علاوه بر این، نوسانات تقاضای سفر، رخدادهای پیش‌بینی‌ناپذیر و تعاملات پیچیده میان اجزای شبکه معابر، ضرورت توسعه رویکردهای تحلیلی پیشرفته، مقیاس‌پذیر و مبتنی بر داده‌های متنوع را بیش از پیش آشکار می‌سازد.این موضوع در کلان شهرهای پرتراکم با الگوی ترافیکی پویا و متغیر روزانه اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

در این پژوهش، یک چارچوب داده‌محور مکانی–زمانی برای تحلیل و پیش‌بینی کوتاه‌مدت وضعیت ترافیک شبکه بزرگراهی شهر تهران ارائه شده است که مبتنی بر استخراج اطلاعات از تصاویر ترافیکی در دسترس عمومی Google Maps است و امکان بهره‌گیری از یک منبع داده مقیاس‌پذیر و کم‌هزینه را فراهم می‌سازد. داده‌های مورد استفاده شامل کلاس‌های ترافیکی چهارسطحی استخراج‌شده با تفکیک زمانی ۱۵ دقیقه در بازه‌ای سه‌ماهه برای کل شبکه بزرگراهی تهران است. این داده‌ها یک مجموعه‌ داده واقعی در مقیاس شبکه‌ای ایجاد می‌کنند که رفتار ترافیک را در سطوح مختلف شدت پوشش می‌دهد. در گام نخست، تحلیل‌های توصیفی به‌منظور شناسایی الگوهای زمانی در مقیاس‌های ساعتی و هفتگی انجام شد که نتایج آن بیانگر وجود الگوهای تکرارشونده مشخص در ساعات اوج و تفاوت معنادار میان روزهای کاری و تعطیل است. این تحلیل اولیه، مبنای طراحی مدل پیش‌بینی را فراهم کرد .در مرحله مدل‌سازی، یک ساختار مکانی–زمانی ترکیبی مبتنی بر کانولوشن گرافی و کانولوشن زمانی یک‌بعدی (GCN-TCN) پیشنهاد شد. در این چارچوب، شبکه بزرگراهی به‌صورت یک گراف مدل‌سازی شده که در آن گره‌ها نمایانگر قطعات بزرگراهی و یال‌ها بیانگر ارتباط مکانی میان آن‌ها هستند. لایه کانولوشن گرافی وابستگی‌های مکانی و اثرات سرریز ترافیکی میان بزرگراه‌های مجاور را استخراج می‌کند، در حالی‌که کانولوشن زمانی یک‌بعدی پویایی‌های زمانی و روند تغییرات ترافیک را مدل‌سازی می‌نماید. این معماری بدون استفاده از ساختارهای بازگشتی پیچیده، امکان پردازش موازی داده‌ها و افزایش کارایی محاسباتی را فراهم می‌کند.

عملکرد مدل پیشنهادی در افق‌های پیش‌بینی ۱۵، ۳۰ و ۶۰ دقیقه با استفاده از معیارهای Accuracy و F1-score ارزیابی و با سه روش پایه شامل میانگین تاریخی،LSTM و TCN بدون ساختار مکانی مقایسه شد. نتایج نشان داد که مدل

GCN-TCN در تمامی افق‌ها عملکرد برتری دارد. در افق ۱۵ دقیقه، این مدل به Accuracy برابر 0.70 و F1-score برابر 0.66 دست یافت، در حالی‌که بهترین مدل پایه (TCN) به Accuracy برابر 0.65 و F1-score برابر 0.64 محدود بود. در افق ۳۰ دقیقه، مدل پیشنهادی با Accuracy معادل 0.68 و F1-score برابر 0.63 عملکرد بهتری نسبت به LSTM

و TCN به ترتیب با(Accuracy=0.63 , F1=0.58) و (Accuracy=0.64 , F1=0.62) نشان داد. همچنین در افق ۶۰ دقیقه، مدل پیشنهادی با Accuracy برابر 0.64 و F1-score برابر 0.60 همچنان نسبت به سایر روش‌ها برتری خود را حفظ کرد. به‌طور کلی، در مقایسه با میانگین تاریخی، بهبود دقت در افق کوتاه‌مدت تا ۱۵ درصد و بهبود F1-score تا ۱۶ درصد مشاهده شد. این برتری به‌ویژه در پیش‌بینی شرایط ترافیکی با شدت متوسط و زیاد مشهود بود که نشان ‌دهنده توانایی مدل در مدیریت عدم‌توازن کلاس‌ها و تغییرات ناگهانی ترافیک است. در مجموع، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که تلفیق داده‌های تصویری در دسترس عمومی با مدل‌های مکانی–زمانی مبتنی بر گراف می‌تواند چارچوبی کارآمد، مقیاس‌پذیر و کم‌هزینه برای پیش‌بینی کوتاه‌مدت ترافیک شهری فراهم آورد. لحاظ‌کردن ساختار مکانی شبکه نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش دقت پیش‌بینی دارد و می‌تواند مبنایی عملی برای توسعه سامانه‌های پیش‌آگاهی ترافیک و پشتیبانی تصمیم‌گیری در مدیریت حمل‌ونقل کلان‌شهری باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Spatio-Temporal Neural Network–Based Traffic Analysis and Prediction Using Google Maps Imagery

نویسندگان [English]

  • fateme noori 1
  • Mohammad Sadi Mesgari 2
1 kntu university
2 Associate professor in Geospatial information system group , Department of Geodesy and Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology
چکیده [English]

The accurate and timely prediction of urban traffic states constitutes a cornerstone of effective route optimization, travel time minimization, and the advancement of intelligent transportation systems (ITS). In megacities, where traffic dynamics exhibit heightened complexity due to intricate spatial interactions and rapidly evolving temporal patterns, there is an imperative for models that jointly capture spatiotemporal dependencies with high fidelity. Conventional fixed sensing infrastructures—such as inductive loop detectors and surveillance cameras—while widely deployed, suffer from substantial installation and maintenance costs, restricted spatial coverage, and reliance on static infrastructure, thereby limiting their scalability and practicality in large-scale urban environments.

This study introduces a novel data-driven spatiotemporal framework tailored for short-term traffic state estimation and forecasting across the extensive highway network of Tehran. The approach harnesses publicly accessible Google Maps traffic imagery as a scalable, low-cost alternative data source, yielding a comprehensive dataset comprising four-level congestion classifications sampled at 15-minute intervals over a three-month period. This large-scale, real-world corpus effectively encapsulates traffic dynamics across diverse congestion regimes throughout the city's highway system. Initial descriptive statistical analyses elucidated pronounced recurrent peak-hour patterns and statistically significant weekday–weekend disparities, establishing a robust empirical foundation for subsequent predictive modeling.

In the core modeling stage, we propose a hybrid spatiotemporal architecture that integrates Graph Convolutional Networks (GCN) with Temporal Convolutional Networks (TCN). The highway network is modeled as a graph, with nodes representing individual highway segments and edges reflecting spatial adjacency. Graph convolution operations effectively capture localized spatial dependencies and congestion propagation effects among neighboring segments, while one-dimensional temporal convolutions model non-stationary temporal evolutions and dynamic traffic trends. In contrast to recurrent architectures, the GCN–TCN paradigm supports fully parallelizable computations, yielding superior training efficiency and markedly reduced computational overhead while preserving intricate spatiotemporal correlations.

The proposed model's predictive efficacy was rigorously assessed across 15-, 30-, and 60-minute horizons using Accuracy and macro F1-score as primary evaluation metrics. Comparative benchmarking against three competitive baselines—Historical Average, standalone Long Short-Term Memory (LSTM), and TCN without explicit spatial modeling—demonstrated consistent superiority of the GCN–TCN framework across all horizons. For the 15-minute forecast, the model attained an Accuracy of 0.70 and F1-score of 0.66, surpassing the strongest baseline (TCN) at 0.65 and 0.64, respectively. At the 30-minute horizon, performance reached 0.68 Accuracy and 0.63 F1-score, outperforming LSTM (0.63/0.58) and TCN (0.64/0.62). Even at the 60-minute horizon, the model sustained strong results with 0.64 Accuracy and 0.60 F1-score. Relative to the Historical Average benchmark, the proposed framework delivered improvements of up to 15% in Accuracy and 16% in F1-score, with particularly pronounced gains under moderate-to-heavy congestion regimes—underscoring enhanced robustness against class imbalance and sudden traffic perturbations.

Collectively, these results affirm that the synergistic integration of cost-effective, image-derived traffic data with graph-informed spatiotemporal deep learning architectures offers a highly efficient, scalable, and economically viable pathway for short-term urban traffic forecasting. The explicit modeling of road network topology emerges as a pivotal factor in elevating predictive precision, laying a solid groundwork for the deployment of real-time traffic systems and advanced decision-support platforms in metropolitan traffic management.

Collectively, these results affirm that the synergistic integration of cost-effective, image-derived traffic data with graph-informed spatiotemporal deep learning architectures offers a highly efficient, scalable, and economically viable pathway for short-term urban traffic forecasting. The explicit modeling of road network topology emerges as a pivotal factor in elevating predictive precision, laying a solid groundwork for the deployment of real-time traffic systems and advanced decision-support platforms in metropolitan traffic management.

Collectively, these results affirm that the synergistic integration of cost-effective, image-derived traffic data with graph-informed spatiotemporal deep learning architectures offers a highly efficient, scalable, and economically viable pathway for short-term urban traffic forecasting. The explicit modeling of road network topology emerges as a pivotal factor in elevating predictive precision, laying a solid groundwork for the deployment of real-time traffic systems and advanced decision-support platforms in metropolitan traffic management.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Urban Traffic Prediction
  • Spatio-Temporal Models
  • Highway Network
  • Graph Convolution
  • Google Maps Images